KR100215531B1 - 고온에서 사용되는 연결부재 또는 다른 기계요소용 오스테나이트 스테인레스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 화학조성이 단위 중량당, 16% 내지 25%의 Ni, 16% 내지 l8.5 % 의 Cr, 0 % 내지 3 % 의 Mo, 0 % 내지 2 % 의 Mn, l % 내지 3.5 % 의 Ti, 0 % 내지 1.5 % 의 A1, 0.1 % 미만의 C + N, 0.025 % 까지의 B 및 잔부가 철과 제조과정에서 형성되는 불순물로 구성되며, 상기화학조성이,

F = 0.0444 × Ti + 0.0777 × A1 - 0.0592 일 때,

(0.94 × Ni - 65 × F) / (1 - F) ≥ 12 와,

17 ≤ (1.07 × Cr - 1.5 × F) / (1 - F) ≤ 22 를 추가로 만족하는 고온용 오오스테나이트 스테인레스강에 관한 것이다.

Description

고온에서 사용되는 연결부재 또는 다른 기계요소용 오오스테나이트 스테인레스강

항공엔진, 차량엔진, 증기터빈 또는 증기발생기와 같은 장치들은 고온에견디는 부품을 포함한다. 이들 부품은 예컨대, 볼트 또는 커플링이다. 이들은 750℃에 달하는 온도에서 작업할 수 있어야 한다.

이들 부품을 제조하기 위해, 286 형 합금이나 마르텐사이트 스테인레스강이 적용된다.

합금 286 은 대략 26 %의 니켈, 15 % 의 크롬 1.25 %, 의 몰리브덴, 및 2 %의 티타늄을 함유하는 오오스테나이트 초합금이다. 티타늄은 γ'의 석출경화물을 형성하는 경향이 있다. 이들 합금은 700℃ 까지 사용할 수 있으며; 이온도이상에서는 γ'상이 불안정하고, 덜 경화된 η상으로 변환될 수 있기 때문에, 사용할 수 없다. 더욱이, 니켈함유량이 높기때문에, 이들 합금은 값이 비싸다.

마르텐사이트 스테인레스강은 대략 12 %의 크롬을 함유하며, 니켈을 거의 함유하지 않아 가격이 실질적으로 286 형 합금 보다 낮지만, 반면 단지 600。C까지 사용할 수 있으며, 이는 어떠한 적용에는 충분하지않다.

본 발명은 고온에서 사용되는 연결부재 또는 다른 기계요소용 오오스테나이트스테인레스강에 관한 것이다.

본 발명의 목적은, 286 형 합금보다 경제적이고, 고온에서 이들 합금과 필적할 수 있거나, 또는 이들 합금보다 우수한 기계적 특성을 갖는 고온용 스테인레스강을 제공하여 전술한 단점들을 극복하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 고온용 오오스테나이트 스테인레스강을 제공한다. 이 오오스테나이트 스테인레스강은 중량비로,

16 % ≤ Ni ≤ 25 %

16 % ≤ Cr ≤ 18.5 %.

0 % ≤ Mo ≤ 3 %

0 % ≤ Mn ≤ 2 %

1 %, ≤ Ti ≤ 3.5 %

0 % ≤ Al ≤ 1.5 %

C + N ≤ O.1%

0 %, ≤ B ≤ 0.025 % 및 잔부로서 철과 제조과정에서 형성되는 불순물을함유하는 화학조성을 가진다. 이들 화학조성은,

F = 0.0444 × Ti + 0.0777 × A1 - 0.0592 일 때,

(0.94 × Ni - 65 × F) / (1 - F) ≥ 12 와,

17 ≤ (1.07 × Cr - 1.5 × F) / (1 - F) ≤ 22 를 만족한다.

화학조성은 바람직하게는, Al 의 함유량은 중량비로 0.45 % 내지 1.2% 이며, (1.2 × Ti - 0.6) / (2.1 × A1 - 0.9) ≥ 1.5 를 만족한다.

또한, B 의 함유량은 바람직하게는 0.005 중량 % 내지 0.020 중량 % 이어야 한다.

본 발명은 또한 고온에 사용되는, 특히 차량엔진에 적합한 볼트의 제조에 사용되는 강에 관한것이다.

아래에 본발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 강은 γ' 상 석출물 Ni₃Ti 또는 입방체의 Ni₃(Ti,Al) 에 의해 경화된 안정한 γ 오오스테나이트 매트릭스로 구성되고, γ′ 상이 헥사고날 (hexagonal) 구조의 동일한 조성을 갖는 η상으로 변환하는 것을 제한하기 위해 충분한 알루미늄을 함유하지만, Ni₂AlTi 상이 형성되지 않도록 지나치게 많은 알루미늄은 함유하지 않는다.

충분한 석출경화물을 형성할 수 있도록, 강은 1 % 이상의 티타늄을함유해야만 하지만, 이들 함유량은 3.5 %. 이하 이어야 하며, 바람직하게는3 % 이하 이어야 하며, 이를 초과하면 고온에서 소성 변형성이 나빠지며, 이렇게 되면, 압연 또는 단조에 의한 성형이 어렵게 된다. 더욱이, 티타늄 함유량이 너무 많은 경우, 강은 편석을 억제하기 위해 진공하에서 재용융되어야 하며, 이러한 공정에는 많은 비용이 소요된다.

알루미늄 함유량은, 한편으로 편석을 억제하고 고온에서 소성 변형에 의한 성형이 어렵지 않도록 하기 위해, 다른 한편으로 Ni₂AlTi 상의 형성을 피하기 위해, 1.5%, 바람직하게는 1.2% 를 초과해서는 안된다. γ'상의 안정성을 보장하기 위해, 알루미늄 함유량은 바람직하게는 0.45 % 내지 1.2 % 이어야 한다.

최적의 석출경화 효과를 위해, 티타늄과 알루미늄 함유량은, (1.2 × Ti - 0.6) / (2.1 × A1 - 0.9) ≥ 1.5 의 조건을 만족해야 한다.

니켈의 함유량은 16 % 내지 25 %이며, 바람직하게는 23 % 이하 이어야 하며, 크롬의 함유량은, 석출물 형성한 후에 매트릭스가 오오스테나이트 상태로 남아 있고, 또한 고온에서 강도를 저하시키는 페라이트의 형성 또는 강을 취약하게 하는 σ상 또는 χ 상의 형성을 방지하기 위해, 16 %, 내지 18.5% 이며, 바람직하게는 18% 이하이어야한다. 더욱이,매우 고가인 니켈이 25% 을 초과하면 본 발명에 따른 강의 성질에 주목할만한 효과를 주지 못하며,티타늄과 알루미늄 함유량외 상한선도 마찬가지이다.

석출물 형성 후에, 오오스테나이트 매트릭스가 최적의 조성을 가지기 위해, 바람직하게는 (0.94 × Ni - 65 × F) / (1 - F) ≥ 12 및 17 ≤ (1.07× Cr - 1.5 × F) / (1 - F) ≤ 22 을 만족해야 하며, 보다 바람직하게는 ≤ 20 을 만족해야 한다.

상기 두 식에서, Ni는 강의 니켈함유량이며, Cr 은 크롬 함유량이며; F는 다음식으로 계산된다.

F = 0.0444 Ti + 0.0777 A1 - 0.0592

여기서, Ti는 강의 티타늄 함유량이며, A1은 알루미늄 함유량이다.

강은, 또한 고용체에 의해 오오스테나이트 매트릭스를 경화시키기 위해, 0 %. 내지 3 %. 의 몰리브덴을 포함한다. 그렇지만, 이들 성분은 강하게 편석하고 또한 α 상의 형성을 촉진하기 때문에, 너무 많지 않아야 한다.

강은, 또한 5형성원소이며, 니켈의 일부분을 대신할 수 있는 망간을 0 %, 내지 2 % 함유한다. 그렇지만, 너무 많은 양을 함유하면, 강의 고온 내산화성을 손상시킨다.

강은, 또한 티타늄 카바이드 또는 티타늄 또는 알루미늄 질화물이 다량 형성되는것을 피하기위해, C+N을 0.1%이하, 바람직하게는 0.05%이하 함유한다.

강은, 또한 결정립계를 강화하고, 고온에서 연성을 개선시키기 위해,붕소를 0 % 내지 0.025 % 함유하며, 바람직하게는 0.005 % 내지 0.02 %를 함유하며, 보다바람직하게는 0.015%이하를 함유한다.

스크랩 합금 또는 강을 재용융시킴으로서 강을 제조하는 경우, 실리콘, 구리, 코발트 또는 바나듐과 같은 잔류성분을 추가로 각각 0.5%미만으로 함유할 수도 있다.

화학 조성의 잔류물은 제조과정에서 발생한 불순물과 철로 구성된다. 본 발명의 강은 판, 봉, 섹션 (section), 와이어 또는 단조편 등의 소망하는 형태로 제조될 수 있다.

강의 이용특성을 얻기 위해, 대략 한시간 동안 850℃ 내지 1050℃ 에서 가열하여 분해시키고, 비정련된 석출물을 피하기 위해 예컨대 물로 급냉시키고, 그 후, 680℃ 내지 760℃ 온도에서 10 내지 24 시간 동안 풀림하고, 이어서 공냉시키는 것으로 구성되는 열처리를 강에 행할 수도 있다. 따라서, 대기하에서, 500 MPa 내지 900 MPa 의 탄성한도와 850 MPa 내지 1200MPa 의 인장강도가 얻어지며, 480 MPa 의 응력하의 650℃ 에서의 표준 크리프시험의 경우에 있어서, 파괴기간은 항공분야에 적용되는 286 형 합금에 대해 정해진 23 시간보다 더 길다. 상기 286형 합금의 조성은 대략 26 % 니켈, 15% 크롬 1.25 %, 몰리브덴 2 %, 티타늄 0.3 % 바나듐, 0.35 % 미만의 알루미늄, 1.5 % 망간, 0.7 % 규소, 0.08 % 미만의 탄소를 함유한다. 26%의 니켈을 함유하는 상기 합금은 본 발명에 따른 강보다 고가인 점에 주목해야 한다. 고가의 원소인 니켈을 소량 함유하면서도 286 등급과 동일한 크리프 저항을 얻을 수 있으며, 또한 니켈의 함유량이 286 등급의 함유량에 근접할 때는, 보다 높은 강도를 얻을 수 있다.

강 A 내지 G 는 실시예를 통해 제조되었으며, 화학조성은 중량 %로 다음의 표와 같이 주어진다.

[표 1]

_{F B B}

Claims (8)

1. 화학조성이, 중량비로,

   16 % ≤ Ni ≤ 25 %

   16 % ≤ Cr ≤ 18.5 %

   Mo ≤ 3 %

   Mn ≤ 2 %

   1 % ≤ Ti ≤ 3.5 %

   Al ≤ 1.5 %

   C + N ≤ 0.1 %

   B :≤ 0.025 % 및 잔부로서 철과 제조과정에서 형성되는 불순물로 구성되며, 상기 화학조성이,

   F = 0.0444 × Ti + 0.0777 × A1 - 0.0592 일 때,

   (0.94 × Ni - 65 × F) / (1 - F) ≥ 12 와,

   17 ≤ (1.07 × Cr - 1.5 × F) / (1 - F) ≤ 22 를 추가로 만족하는 것을특징으로 하는, 고온에서 사용되는 연결부재 또는 다른 기계요소용 오오스테나이트스테인레스강.
2. 제 1 항에 있어서, 화학조성이, 중량비로,

   16 % ≤ Ni ≤ 23 %

   16 % ≤ Cr ≤ 18 %

   Mo ≤ 3 %

   Mn ≤ 2 %

   1 % ≤ Ti ≤ 3 %

   A1 ≤ 1.2 %

   C + N ≤ 0.1 %

   B ≤ 0.02 % 및 잔부로서 철과 제조과정에서 형성되는 불순물로 구성되며, 상기 화학조성이,

   F = 0.0444 × Ti + 0.0777 × Al - 0.0592 일 때,

   (0.94 × Ni - 65 × F) / (1 - F) ≥ 12 와,

   17 ≤ (1.07 × Cr - 1.5 × F) / (1 - F) ≤ 20 를 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 오오스테나이트 스테인레스강.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서; 상기 화학조성에서 알루미늄의 함유량이 중량비로 0.45 %. 내지 1.2 % 인 것을 특징으로 하는 고온용 오오스테나이트 스테인레스강.
4. 제 3 항에있어서,상기학학조성이 중량비로 (1.2×Ti-0.6)/(2.1× Al - 0.9) ≥ 1.5 를 만족하는 것을 툭징으로 하는 고온용 오오스테나이트 스테인레스강.
5. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학조성에서 붕소의 함유량이 0.005 % 내지 0.020 % 인 것을 특징으로 하는 고온용 오오스테나이트 스테인레스강.
6. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오오스테나이트 스테인레스강은 고온용 볼트 제조에 사용되는 것을 특징으로 하는 고온용 오오스테나이트 스테인레스강.
7. 제 6 항에있어서, 상기볼트가 차량엔진에 사용되는것을 특징으로하는 고온용 오오스테나이트 스테인레스강.
8. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한항에 있어서; 상기 오오스테나이트 스테인레스강이 파이프, 교환기 또는 회전기와 같은;보일러 또는 화력발전소의 증기터빈용 부품제조에 사용되는 것을 특징으로 하는 고은용 오오스테나이트 스테인레스강.